KR101217167B1 - 초음파를 이용한 약품 교반장치 - Google Patents

Abstract

콜로이드 입자에 약품을 첨가하여 전기적으로 중화시켜 불안정하게 만들어 응집물을 형성하는 반응조에 설치되며, 저주파수 진동자와 고주파수 진동자가 교대로 병렬 연결되고 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 정렬되어 구성된 초음파 진동유닛, 상기 초음파 진동유닛이 밀봉 수납되는 하우징으로 구성된 초음파를 이용한 약품 교반장치가 개시된다.

Description

초음파를 이용한 약품 교반장치{Apparatus for mixing chemicals using ultrasonic waves}

본 발명은 초음파를 이용한 약품 교반장치에 관한 것으로, 특히 오수와 폐수의 약품 혼화조인 반응조에 투입되는 화학약품을 초음파를 이용하여 수중에서 물리·화학적으로 교반함으로써 콜로이드와의 접촉 확률을 높여 처리 효율성을 향상시킨 기술에 관련한다.

초음파는 인간의 가청주파수보다 높은 대략 20㎑ 이상의 음파를 칭하며, 산업 전반에 걸쳐 매우 광범위하게 활용되고 있다. 더욱이, 그 응용제품 또한 매우 다양하며, 가령 압전 세라믹스 및 페라이트를 이용한 여러 가지 초음파 장치들이 연구되고 상품화도 이루어지고 있다. 특히 PZT계 압전 세라믹스와 진동 모드 등에 대해서도 많은 연구가 진행이 되었으며 아직도 국내외에서 활발히 연구가 이루어지고 있다.

초음파의 응용은 저주파수(15㎑ ~ 100㎑)의 진동자를 이용하는 분야와 고주파수(20㎑ ~ 10㎒)의 진동자를 이용하는 분야로 대별된다.

전자는 초음파에 의한 수중 공동화현상(캐비테이션, cavitation)을 이용하는 것으로 세척기, 용착기, 수중음파 탐상기, 담석 또는 결석 제거기, 지방제거기, 음향에 의한 화학반응의 촉진장치 등이 대표적이다. 또한, 후자는 초음파의 레비테이션을 이용하는 것으로, 초음파 진단기, 비파괴 검사기 등이 대표적인 응용분야이다.

초음파의 레비테이션은 진동자 표면에서 발생된 파장이 방사되면서 고체와 같은 입자 표면에서 부딪쳐 발생되는 난반사에 의해 돌아오는 파장과 방사된 파장 사이의 중첩에 의해 발생되는 효과로 동적 평형 상태가 발생된다. 동적 평형 상태에서 겉보기 상태에서는 정지되어 있으나 내부에서는 수많은 화학반응이 수반된다.

초음파를 환경, 식품, 화학공정, 생물, 미생물, 의학 또는 약학 등에 적용하고자 하는 연구는 1920년대에 시작되어 초음파화학(sonochemistry)라는 학문 영역이 확립되고, 여러 가지 기술적인 이론 및 이를 실제 화학 반응에 응용하는 연구들이 진행되고 있다.

초음파 에너지를 화학반응의 촉진매체 또는 살균매체로 사용하기 위한 연구는 러시아, 일본, 그리고 미국 등에서 오래전부터 수행되어 왔고 현재는 실용화 단계까지 이르고 있는 것으로 판단되고 있다.

아울러 초음파가 오염물의 처리 및 유기물질의 분해에 활용될 수 있을 것으로 예측되고 많은 자료가 발표되고 있으나, 실제로 초음파를 상·하수의 정화, 폐수처리에 적용하는 기술은 아직은 입수되지 않고 있다. 다만, 생물 및 의학 분야에서 초음파를 세포의 파쇄, 박테리아의 파쇄에 응용을 하여 그 효과가 입증이 되어 있으며, 초음파 세척기는 현재 널리 사용이 되고 있다.

한편, 각종 산업체에서 다량으로 배출되는 난분해성 오염물의 경우, 기존의 세척방법으로는 처리효율이 매우 낮거나 거의 처리되지 않고, 세균 또한 처리되지 않는다. 이와 같이, 고에너지 초음파 발생장치를 이용하여 세척작업을 행하는 경우는 있으나, 유기물질의 분해 및 살균에 응용하는 제품은 현재까지는 없다.

본 출원인은 특허 제0455720호에서 내부 관통로를 포함하는 초음파를 이용한 에너지 활성장치를 제안하였다.

그러나, 상기한 특허에 의할 경우, 응집제와 같은 유체를 초음파 진동자의 하우징을 관통하는 홀에 의해 유입하는 구조는 대규모 처리 용량의 혼화조와 같이 대면적 방사가 요구되는 곳에서 단시간에 응집제와 콜로이드를 접촉시키기에는 구조적인 제약이 있으며, 결과적으로 처리 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

또한, 임펠러가 하우징을 관통하여 설치되어 초음파 발진시 방사되는 초음파의 파장이 임펠러의 날개에 의해 간섭이 발생되어 지향 효과가 떨어지는 단점이 발생하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 소독 및 살균효과가 우수한 초음파를 이용하여 유기물 제거 및 소독 살균을 위해 화학약품을 수중에서 물리·화학적으로 교반하여 처리 효율성을 향상시킬 수 있는 교반장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 하수처리장에 있어서 소독제에 의한 소독 살균 능력을 향상시킬 수 있는 교반장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시 예를 통하여 더욱 명확하게 이해될 것이다.

상기의 목적은, 콜로이드 입자에 약품을 첨가하여 전기적으로 중화시켜 불안정하게 만들어 응집물을 형성하는 반응조에 설치되며, 저주파수 진동자와 고주파수 진동자가 교대로 병렬 연결되고 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 정렬되어 구성된 초음파 진동유닛, 상기 초음파 진동유닛이 밀봉 수납되는 하우징으로 구성된 초음파를 이용한 약품 교반장치에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 약품 교반장치는 상기 반응조의 내측 벽면이나 바닥에 설치될 수 있다.

바람직하게, 상기 반응조에는 물리적 교반을 위한 임펠러가 설치되고, 상기 약품 교반장치는 상기 임펠러의 축을 따른 수직선상의 임의의 위치에 설치될 수 있다.

또한, 상기의 목적은, 콜로이드 입자에 약품을 첨가하여 전기적으로 중화시켜 불안정하게 만들어 응집물을 형성하는 반응조에 설치되며, 다수의 저주파수 진동자가 병렬 연결되고 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 정렬되어 구성된 저주파 진동유닛과, 상기 저주파 진동유닛이 밀봉 수납되는 하우징으로 구성된 제 1 약품 교반장치; 및 다수의 고주파수 진동자가 병렬 연결되고 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 정렬되어 구성된 고주파 진동유닛과, 상기 고주파 진동유닛이 밀봉 수납되는 하우징으로 구성된 제 2 약품 교반장치를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 약품 교반장치는 상기 반응조의 내부에 대향하여 설치되는 초음파를 이용한 약품 교반장치에 의해 달성된다.

상기의 구성에 의하면, 혼합된 주파수를 동시에 사용할 경우 근접영역에서는 고주파수 진동자에 의해 유기물을 제거 효율이 증가하고 원거리영역에서는 저주파수 진동자에 의해 콜로이드를 제거함으로써 유기물 제거와 물리·화학적 교반이 동시에 수반되므로 전체적인 처리 효율이 상승하게 된다.

또한, 초음파의 레비테이션과 케비테이션에 의한 물리화학적 교반 효과에 의해 살균을 위해 사용되는 소독제를 수중에 교반시켜줌으로써 동일한 소독제의 농도(C)와 동일한 접촉시간(T)으로도 소독 능력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 약품 교반장치를 반응조에 설치한 상태를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 약품 교반장치를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 약품 교반장치를 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 약품 교반장치를 반응조에 설치한 상태를 나타내고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 약품 교반장치를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 약품 교반장치(100)는 다수의 초음파 진동자(110, 120, 130, 140)를 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 탄성 절연재를 개재하여 하우징(150)에 밀봉하여 구성된다.

본 발명에 적용되는 초음파 진동자(110)는, 전원이 인가되는 한 쌍의 압전 세라믹(112, 114)과 이 압전 세라믹(112, 114) 양측에 각각 결합하여 설치되는 금속 부스터(116, 118)로 구성된다.

여기서, 초음파 진동자는 볼트 체결형 란쥬반 진동자(Bolt-clamped Langevin Transducer: BLT)일 수 있다.

도 2와 같이, 대면적 방사를 위해 다수의 초음파 진동자(110, 120, 130, 140)를 하우징(150) 내부에 병렬로 연결하여 설치하는데, 각 초음파 진동자(110, 120, 130, 140)는 저주파수 진동자 A와 고주파수 진동자 B가 혼합 연결 구성된다. 즉, 저주파수 진동자 A끼리 병렬 연결되어 전원이 인가되고 고주파수 진동자 B끼리 병렬 연결되어 별도로 전원이 인가된다.

이는, 초음파 진동자(110, 120, 130, 140)에 의한 방사파와 방사파에 의해 입자 표면에서 반사되는 난반사 사이의 간섭에 의해 발생하는 입자의 레비테이션과 고온 고압의 기포의 생성과 소멸에 의해 발생하는 캐비테이션의 두 가지 효과의 증대를 위한 것이다.

입자로는 고체와 유체 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 액체로는 순수한 물이나, 살균제, 세정제 또는 소독제 중 어느 하나를 포함하는 혼합 액체가 이용될 수 있다.

본 발명의 약품 교반장치(100)는, 도 1과 같이, 반응조(10) 내부의 벽면에 설치되며, 반응조(10)의 크기에 따라 하나 또는 그 이상의 개수로 설치될 수 있다. 또한, 설치 위치도 도 1과 같이 벽면에 한정되지 않고 사용 방법에 따라 수면이나 바닥에 설치할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 임펠러(20)에 의해 물리적 교반이 진행되고 있는 동안 약품 교반장치(100)에 의한 물리·화학적 교반이 추가로 진행되어 약품과 콜로이드의 혼합을 촉진시킨다. 즉, 저주파수 진동자 A와 고주파수 진동자 B를 혼합 연결하여 초음파를 반응조(10) 내부의 수중에 방사할 경우, 고주파수 진동자 B에 의해 하우징(150) 표면 부근인 근접영역에서 레비테이션이 발생하고, 저주파수 진동자 A에 의해 원거리영역에 캐비테이션이 발생하여 고주파수 진동자 B와 저주파수 진동자 A의 혼합에 의해 근접영역과 원거리영역에서 콜로이드 입자를 불안정한 상태로 만들어 응집 반응이 쉽게 진행될 수 있도록 해준다.

이하, 이에 대해서 구체적으로 설명한다.

수처리 공정 중 혼화 공정은 용수나 폐수에 음전하로 대전되어 안정한 상태로 존재하는 콜로이드 입자에 화학약품, 가령 알루미늄계 및 철계 응집제를 첨가하여 전기적으로 중화시켜 불안정하게 만들어 응집물이 형성되게 하는 공정이다. 즉, 수중에 존재하는 콜로이드 상태의 입자를 제거하기 위해 금속계 응집제를 주입하면, 다가의 금속염이 수화되면서 양전하의 착염을 생성한다. 이 생성된 양전하의 착염은 음으로 대전된 콜로이드 및 용존성 유기물질을 중화시킨 후 흡착하여 침전성이 양호한 큰 입자(floc)를 형성하여 침전, 제거된다.

혼화 공정에서 고주파수 진동자는 화학약품과 콜로이드 입자를 순간적인 동적 평형상태인 레비테이션에 의해 제타 전위를 낮춤으로써 콜로이드 입자 사이의 인력이 반발력보다 커져서 불안정하게 만들고 콜로이드 입자가 불안정한 상태가 될 때 응집제와 쉽게 반응하여 응집 반응이 일어난다. 반면, 고주파수 진동자는 처리용량이 커질 경우 초음파 방사 거리가 짧아져 대용량 처리에는 효과가 떨어지는 단점이 있다.

저주파수 진동자는 레비테이션 효과는 미비하지만 캐비테이션 효과로 인해 공동화 기포 내부의 온도와 압력이 매우 높아져 기포들이 성장하고 파열될 때 고온고압의 충격파로 인해 제타 전위를 낮추고 난분해성 유기물의 파괴와 물 분자를 이온화하여 강력 산화제인 OH 라디칼을 발생시키고 저주파수 진동자의 경우 침투력이 우수하여 방사 면적이 넓어 대면적 방사에 효과인 장점이 있다.

이와 같이 주파수가 높고 낮은 진동자를 혼합하여 사용할 경우 수중에 근접거리에서는 레비테이션 효과와 원거리에서의 캐비테이션 효과를 동시에 발생하여 고주파수 진동자만을 사용한 레비테이션이나 저주파수 진동자만을 사용한 캐비테이션보다 유기물 제거에 우수한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 2의 실시 예에서는 반응조(10) 내에 저주파수 진동자 A와 고주파수 진동자 B가 동일선상에서 진동함으로써 반사파 간섭에 의한 위상을 고려할 필요가 없다. 즉, 반응조(10)의 직경이 큰 장소에서는 문제되지 않지만 직경이 작은 장소에서는 반사파에 의한 감쇄 간섭이 발생할 수도 있다. 따라서, 반응조(10)의 직경이 작은 경우에는 방사된 파장이 반대쪽 벽에 부딪혀 반사되는 반사파까지 고려해야 할 필요가 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 약품 교반장치를 나타낸다.

이 실시 예에 의하면, 다수의 저주파수 진동자(210, 220, 230, 240)를 하우징(250)에 밀봉 수납한 약품 교반장치(200)와, 다수의 고주파수 진동자(310, 320, 330, 340)를 하우징(350)에 밀봉 수납한 약품 교반장치(300)를 반응조(10) 내에 서로 마주보도록 설치하여 저주파수 진동자와 고주파수 진동자가 서로 혼합되어 초음파 의한 처리 효율을 증대시킨다.

이 실시 예에서는 서로 마주보는 형태로 약품 교반장치(200)와 (300)이 설치되어 있지만, 도 1의 반응조(10)의 벽면을 따라 일정한 간격으로 교대로 다수 개 설치하여 처리 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.

한편, 이 실시 예의 경우, 각각의 교반장치(200)와 (300) 사이의 거리가 가까워 반사파에 의한 위상을 고려해야 하기 때문에 설치 간격을 임의로 조절할 필요가 있을 수 있는데, 교반장치 사이의 간격이 지나치게 넓은 경우 상호 간섭이 떨어져 효과가 줄어드는 단점이 발생될 수 있다.

정리하면, 산업폐수 속의 콜로이드를 제거하기 위해서 콜로이드를 이온화하거나 콜로이드 분자 연결고리를 끊는데, 본 발명의 약품 교반장치와 같이 혼합된 주파수를 동시에 사용할 경우 근접영역에서는 고주파수 진동자에 의해 유기물을 제거 효율이 증가하고 원거리영역에서는 저주파수 진동자에 의해 콜로이드를 제거함으로써 유기물 제거와 물리·화학적 교반이 동시에 수반되므로 전체적인 처리 효율이 상승하게 된다.

또한, 최근에는 정수뿐만 아니라 하수처리장 미생물에 대한 규제가 강화되고 있어 소독조라는 공정을 추가해서 미생물을 살균해서 방류처리하고 있으며, 조류독감이나 구제역으로 인한 가축류 살처분시 발생되는 매립지 주변의 토양오염과 침출수로 인한 문제점의 근본 대책을 해결하기 위해 병원균의 소독 살균이 요구되고 있는데, 살균을 위해 사용되는 염소, 클로라민, 이산화염소, 오존 등의 소독약품은 산화제로 미생물의 세포에 접촉하여 세포벽을 산화시켜 파괴시킨다. 본 발명과 같이, 약품 교반장치를 이용하는 경우, 초음파 효과 중 캐비테이션에 의해 미생물을 사멸시킬 수 있을 뿐만 아니라 초음파의 레비테이션과 케비테이션에 의한 물리화학적 교반 효과에 의해 살균을 위해 사용되는 소독제를 수중에 교반시켜줌으로써 동일한 소독제의 농도(C)와 동일한 접촉시간(T)으로도 소독 능력을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 약품 교반장치는 물리·화학적 교반에 의한 데드 존(dead zone)을 현저히 줄일 수 있으며, 상기한 바와 같이, 설치 위치는 살균이나 교반 효과를 위해서 반응조 벽면이나 바닥, 임펠러의 축을 따른 수직선상의 임의의 위치에 설치할 수 있다.

본 발명의 약품 교반장치는 착수정, 혼화지, 응집지, 침전지, 염소투입실, 정수지, 배수지와 같은 상수도 시설, 하수도시설, 공단 폐수정화 시설, 수영장이나 정화조 등에 적용될 수 있으며, 기포 발생에 의한 산소주입, 조류제거 및 대장균 등의 유기물 제거 또는 부상 및 살균 등을 동시에 실시할 수 있다. 따라서, 상·하수원의 수질 개선 및 폐수 정화로부터 유아용 장난감이나 식기의 세척, 살균에까지 확대하여 적용할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으며, 당업자에 의해 다양한 변경이나 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기의 실시 예에 한정되어 해석되어서는 안 되며 이하에 기재된 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

10: 반응조
20: 임펠러
100, 200, 300: 약품 교반장치
110, 130, 210, 220, 230, 240: 저주파수 진동자
120, 140, 310, 320, 330, 340: 고주파수 진동자
150, 250, 350: 하우징

Claims (4)

1. 콜로이드 입자에 약품을 첨가하여 전기적으로 중화시켜 불안정하게 만들어 응집물을 형성하는 반응조에 설치되며,
   저주파수 진동자와 고주파수 진동자가 교대로 병렬 연결되고 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 정렬되어 구성된 초음파 진동유닛, 상기 초음파 진동유닛이 밀봉 수납되는 하우징으로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 약품 교반장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 약품 교반장치는 상기 반응조의 내측 벽면이나 바닥에 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 약품 교반장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응조에는 물리적 교반을 위한 임펠러가 설치되고,
   상기 약품 교반장치는 상기 임펠러의 축을 따른 수직선상의 임의의 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 약품 교반장치.
4. 콜로이드 입자에 약품을 첨가하여 전기적으로 중화시켜 불안정하게 만들어 응집물을 형성하는 반응조에 설치되며,
   다수의 저주파수 진동자가 병렬 연결되고 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 정렬되어 구성된 저주파 진동유닛과, 상기 저주파 진동유닛이 밀봉 수납되는 하우징으로 구성된 제 1 약품 교반장치; 및
   다수의 고주파수 진동자가 병렬 연결되고 한쪽 방향으로 초음파가 방사되도록 정렬되어 구성된 고주파 진동유닛과, 상기 고주파 진동유닛이 밀봉 수납되는 하우징으로 구성된 제 2 약품 교반장치를 포함하며,
   상기 제 1 및 제 2 약품 교반장치는 상기 반응조의 내부에 대향하여 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 약품 교반장치.
   

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